Полезная информация

Радиационностойкие полупроводниковые тензодатчики и тензорезисторы  

Влияние γ-облучения на электрические параметры тонких пленок SmS

В.В.Каминский, Л.Н.Васильев, Е.Л.Горнушкина, С.М.Соловьев, Г.А.Сосова, Н.М.Володин
Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук

Исследовалось влияние γ-облучения источника 60Со мощностью экспозици­онной дозы б • 105 Р/ч в интервале доз D = 106÷1.6 • 108 Р на электрические параметры поликристаллических полупроводниковых пленок моносульфида са­мария. Обнаруженная высокая радиационная стабильность удельного поверх­ностного сопротивления и температурного коэффициента сопротивления может являться следствием специфики электронной структуры данного соединения и вместе с тем коррелирует с некоторыми свойствами пленок, характерными для радиационно-стойких полупроводников, такими как термическая прочность, мелкодисперсность, наличие значительного числа стехиометрических вакансий.

Полупроводниковые пленки моносульфида самария нашли приме­нение для изготовления тензорезисторов (1). В связи с этим предста­вляет интерес исследование радиационной стойкости их электриче­ских параметров. Электрические свойства SmS определяются главным образом наличием 4f-уровней ионов самария, которые имеют концен­трацию 1.8 • 1022 см-3, располагаются в запрещенной зоне на 0.23 эВ ниже дна зоны проводимости и играют роль доноров. Внутренняя 4f-оболочка находится глубоко в ионе и заэкранирована от внешних возбуждений другими электронами, ее радиус (~ 0.3 Ǻ) мал по сравне­нию с постоянной кристаллической решетки SmS (а = 5.97 Ǻ) (2). Это может оказаться предпосылкой высокой радиационной стойкости со­единения. Облучение пленок SmS ионами индия с энергией 35 кэВ дозой 1016 см--2, осуществленное в (3), не привело к заметному измене­нию их электрических параметров. В настоящей работе исследова­лось влияние γ-облучения.

Поликристаллические пленки SmS толщиной ~ 0.5 мкм были напы­лены на стеклянные подложки по методике (4) и имели холловскую концентрацию электронов проводимости ~ 1021 см-3.   

Зависимости электрических параметров пленки SmS от дозы облучения: 1 — поверхностное сопротивление, 3 — температурный коэффициент сопротивления, 4 — барический коэффициент сопротивления. Исходные параметры пленки SmS: (ρ = 90 Ом/, α0 = 1.6 10-3К-1, β0 = 1.1·10-3 МПа-1). 2 — поверхностное сопротивление кремния с удельным сопротивлением 0.003 Ом-см.

Исследовалось влияние облучения на удельное поверхностное сопротивление ρ, тем­пературный коэффициент сопротивления α — (1/ρ)(дρ/дТ) и бари­ческий коэффициент сопротивления β — (1/ρ)(дρ/дР). Образцы с ρ ~ 102 Ом/,, α = (1÷2) • 10-3 К-1 и β ~ 10"3 МПа"1 облучались γ-квантами 60Со с мощностью экспозиционной дозы 6 • 105 Р/ч в ин­тервале доз D — 106÷6 • 108 Р. Измерение параметров α, β, ρ прово­дилось при Т ~ 300 К после облучения различными дозами. Типичные результаты, полученные для одной из пленок, представлены на рисун­ке. Наиболее показательна зависимость ρ (D), отражающая высокую стабильность пленок SmS при γ -облучении. Для сравнения приведе­на аналогичная зависимость, полученная на кремнии (кривая 2), при­меняемом при изготовлении специальных радиационно-стойких тензопреобразователей и легированном с этой целью до сопротивления 0.003 Ом ·см [5]. При облучении в больших дозах D = 1.5 • 108 Р, уве­личение электросопротивления пленки SmS не превышает ~ 0.1%, в то время как для кремния оно составляет ~ 0.2% (кривые 1, 2). Изме­нения температурного коэффициента сопротивления пленки при облу­чении в рамках погрешности проведенных измерений не обнаружено (кривая 3). Барический коэффициент сопротивления увеличивается на ~ 3.5% на начальной стадии облучения до D ~ 2 • 107 Р и при даль­нейшем возрастании DВ не изменяется (кривая 4).

Увеличение β можно объяснить исходя из предложенной в [6] мо­дели электрпереноса в поликристаллических пленках SmS. Соглас­но модели, в электропереносе принимают участие два типа носите­лей: обычные зонные и ответственные за перескоковую проводимость. При этом перескоковая составляющая проводимости значительно ме­нее зависима от деформации, чем зонная. Можно предположить, что под действием облучения происходит уменьшение доли перескоковой составляющей в электропереносе. В полупроводниковом SmS ионы самария обычно находятся в двухвалентном состоянии (в объемных образцах) [2].    В пленках SmS появляются ионы Sm3+, которые взывают появление перескоковой проводимости, и их количество уве­личивается с уменьшением параметра кристаллической решетки [4]. В таком случае пленки с уменьшенным параметром решетки должны иметь малые и сильно зависящие от D значения β. Для проверки этого предположения были изготовлены пленки SmS с а = 5.85 Ǻ, где количе­ство ионов Sm3+ заведомо велико (~ 20% согласно [4]). Пленки имели β = 0.5 • 10-4 МПа"1 и при γ-облучении дозой 1.5 • 108 Р величина β  воз­растала в 2 раза. Таким образом, можно считать, что при γ - облучении поликристаллических пленок SmS имеет место уменьшение количества ионов Sm3+.

Обнаруженная высокая радиационная стабильность электрических параметров поликристаллических пленок SmS может являться след­ствием не только специфики электронной структуры данного соедине­ния. Пленки имеют несколько признаков, свойственных радиационноcтойким полупроводникам [7]: исследованные объекты являются тер­мически стойкими (температура плавления SmS ~ 2300°С), мелкодис­персными (размеры кристаллитов в образцах ~ 300 А), имеют значи­тельное число стехиометрических вакансий (~ 1020 см-3). Кроме того, высокая концентрация электронов проводимости в значительной мере сглаживает влияние радиационных дефектов на электронную зонную структуру SmS.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундамен­тальных исследований. Тема № 940206251.

Список   литературы

1. В.В. Каминский, И.А. Смирнов. Приборы и системы упр., вып. 8, 22 (1985).
2. И.А. Смирнов, В.С. Оскотский. УФН, 124, 241 (1987).
3. А.А. Виноградов, В.В. Каминский, Н.М. Володин, М.В. Романова, В.С. Румян­цев. Тез. докл. V Всес. конф. по физике и химии редкоземельных полупроводников (Саратов, 1990) ч. 2, с. 86.
4. В.В. Каминский, Н.М. Володин, Т.В. Жукова, М.В. Романова, Г.А. Сосова. ФТТ. 33, 187 (1991).
5. В.И. Евдокимов, А.Д. Очеретянский, Е.Б. Котляревская, Н.Б. Резникова. При­боры и системы упр., вып. 12, 13 (1990).
6. В.В. Каминский, А.А. Виноградов, Н.М. Володин, М.В. Романова, Г.А. Сосова. ФТТ, 31, 153 (1989).
7. В.Т. Маслюк. Неорг. матер., 28, 2388 (1992).